新しい量子磁石がエレクトロニクスの可能性を解き放つ

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コンピューター、医療機器、ステレオ、発電機など、私たちの最も重要な日用品の一部は磁石のおかげで機能します。 コンピューターがより強力になると何が起こるかはわかりますが、磁石がより多用途になれば何が可能になるでしょうか? 使いやすさを定義する物理的特性を変更できるとしたらどうなるでしょうか? それはどのようなイノベーションを引き起こす可能性があるでしょうか?

これは、MIT プラズマ科学融合センター (PSFC) の研究科学者、Hang Chi、Yunbo Ou、Jagadeesh Moodera とその共著者が、新しいオープンアクセスの Nature Communications 論文「準 2 におけるひずみ調整可能なベリー曲率」で検討している問題です。 -次元クロムテルル化物。」

著者らの発見の大きさを理解するには、少し時間を遡る必要があります。1879 年、エドウィン ホールという名前の 23 歳の大学院生は、電流を流した金属片に磁石を直角に置くと、次のことを発見しました。それを通して、ストリップの一方の側はもう一方の側よりも多くの電荷を帯びることになります。 磁場は電流の電子を金属の端に向かって偏向させていました。この現象は、彼の名誉を讃えてホール効果と名付けられました。

ホールの時代には、古典的な物理学体系が唯一の種類であり、重力や磁気などの力は、予測可能かつ不変の方法で物質に作用しました。リンゴを落とすと落下し、帯電した部分で「T」の字を描くのと同じです。金属と磁石によりホール効果が発生し、完全に停止します。 実際にはそうではありませんでした。 今では、量子力学も役割を果たしていることがわかっています。

古典物理学をアリゾナ州の地図として、量子力学を砂漠を車で移動するものとして考えてください。 地図はその地域に関するマクロビューと一般的な情報を提供しますが、アルマジロが道路を横切るなど、ドライバーが遭遇する可能性のあるすべてのランダムな出来事に備えることはできません。 量子空間は、ドライバーの移動と同様に、さまざまな地域の交通規則によって管理されます。 したがって、ホール効果は古典系では印加された磁場によって誘発されますが、量子の場合、外部磁場がなくてもホール効果が発生する可能性があり、その時点で異常ホール効果になります。

量子の領域を航行するとき、英国の物理学者マイケル・ベリーにちなんで名付けられた、いわゆる「ベリー相」の知識が身に付きます。 これは車の GPS ロガーとして機能します。あたかもドライバーが最初から最後まで走行全体を記録したかのようで、GPS 履歴を分析することで、空間の起伏、つまり「曲率」をより適切にプロットすることができます。 量子ランドスケープのこの「ベリー曲率」は、ちょうど山や谷が車の進路を決定するのと同じように、電子を自然に片側に移動させ、磁場なしでホール効果を誘発する可能性があります。

多くの人が磁性材料の異常ホール効果を観察しましたが、論文の著者が異常な磁石の異常ホール効果とベリー曲率の変化を実証する方法を開発するまで、圧縮したり引き伸ばしたりしてホール効果を操作できた人は誰もいませんでした。

まず、彼らは酸化アルミニウムまたはチタン酸ストロンチウム（どちらも結晶）でできた厚さ0.5ミリメートルのベースを用意し、そのベースの上に磁性化合物であるクロムテルル化物の信じられないほど薄い層を成長させました。 これらの材料だけでは、あまり役に立ちません。 しかし、結合すると、フィルムの磁性と、フィルムが成長するベースとの界面により、層が伸びたり縮んだりする原因となります。

これらの材料がどのように連携するのかについて理解を深めるために、研究者らはオークリッジ国立研究所（ORNL）の破砕中性子源と提携して、中性子散乱実験（基本的に材料に粒子を発射し、何が跳ね返ってきたかを研究する）を実施した。フィルムの化学的特性と磁気的特性について詳しく説明します。 中性子は磁性を持っていますが電荷を持たないため、研究には理想的なツールでした。 中性子実験により、研究者らは材料をより深く調査するにつれて化学元素と磁気の挙動がさまざまなレベルでどのように変化するかを明らかにするプロファイルを構築することができました。